Przeczytaj

bg‑red

Otrzymywanie tlenków pierwiastków na wyższym stopniu utlenienia

Niektóre pierwiastki w tlenkach występują na różnych stopniach utlenienia, np. węgiel tworzy tlenek węgla( $II$ ) oraz tlenek węgla( $IV$ ). Jedną z metod otrzymywania tlenków, w których atomy danego pierwiastka występują na wyższych stopniach utlenienia, jest utlenianie tlenków, w których atomy tego samego pierwiastka występują na niższych stopniach utlenienia. Potocznie mówimy o takiej metodzie jako o utlenieniu tlenków niższych do tlenków wyższych, mając w istocie na myśli wartości stopni utlenienia atomów pierwiastków tworzących wiązanie z tlenem.

R3oF1CCTIZCRE1

Ilustracja przedstawiająca ogólny schemat reakcji, w której bierze udział tlenek pierwiastka na niższym stopniu utlenienia. Dodać tlen, strzałka w prawo, za strzałką tlenek pierwiastka na wyższym stopniu utlenienia. — Schemat reakcji utleniania tlenków.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

**Tabela $1$ . Węgiel, siarka czy azot tworzą tlenki, w których pierwiastki te występują na różnych stopniach utlenienia.**
Tlenki węgla	Tlenki siarki	Tlenki azotu
$CO$ $tlenek węgla (II)$ ${CO}_{2}$ $tlenek węgla (IV)$	${SO}_{2}$ $tlenek siarki (IV)$ ${SO}_{3}$ $tlenek siarki (VI)$	$N_{2} O$ $tlenek azotu (I)$ $NO$ $tlenek azotu (II)$ $N_{2} O_{3}$ $tlenek azotu (III)$ ${NO}_{2}$ $tlenek azotu (IV)$ $N_{2} O_{5}$ $tlenek azotu (V)$

Ważne!

Reakcje tlenków z tlenem zachodzą w różnych warunkach, w zależności od rodzaju i charakterystyki pierwiastka tworzącego dany tlenek.

Poniżej przedstawiono wybrane, najbardziej powszechne tlenki, które otrzymuje się opisaną metodą.

bg‑red

Tlenek siarki( $VI$ )

RxqdkSu7SChJx1

Zdjęcie przedstawiające zatopione w szklanej ampułce kryształy tlenku siarki(sześć). Mają postać półprzeźroczystych, białawych igieł. — Tlenek siarki( $VI$ )
Źródło: dostępny w internecie: www. wikipedia.org, domena publiczna.

Tlenku siarki( $VI$ ) nie można otrzymać w wyniku bezpośredniej syntezy pierwiastka z tlenem, czyli przez spalenie siarki w powietrzu. Wynika to z przesunięcia stanu równowagi reakcji w stronę substratów, ze względu na wydzielające się duże ilości ciepła. Wzrost temperatury dla reakcji egzotermicznych powoduje spadek wydajności reakcji. Dlatego, aby otrzymać tlenek siarki( $VI$ ), należy przeprowadzić reakcję utleniania tlenku siarki( $IV$ ), zgodnie z poniższym równaniem reakcji:

2 {SO}_{2} + O_{2} \overset{katalizator}{\to} 2 {SO}_{3}

Reakcja ta jest egzotermiczna i zachodzi z dobrą wydajnością, w temperaturach od około $650$ do $850 K$ , co powoduje spadek szybkości reakcji. Dlatego, aby przyspieszyć tę reakcję, niezbędne jest zastosowanie katalizatorakatalizatorkatalizatora, którym współcześnie jest tlenek wanadu( $V$ ) $V_{2} O_{5}$ .

bg‑red

Tlenek węgla( $IV$ )

Otrzymywanie tlenku węgla( $IV$ ) opisaną metodą zachodzi podczas utleniania tlenku węgla( $II$ ), zgodnie z poniższym równaniem reakcji:

2 CO + O_{2} \overset{katalizator}{\to} 2 {CO}_{2}

RpisDA0fEVhMN1

Ilustracja przedstawiająca kawałki hopkalitu. Są brązowe i mają walcowaty kształt. — Hopkalit, jako składnik masek, chroni ludzi przed trującym czadem.
Źródło: AnFritzAn, dostępny w internecie: www.wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 4.0.

Reakcja zachodzi w temperaturze pokojowej tylko w obecności katalizatorów – mieszaniny tlenku miedzi( $II$ ), tlenku kobaltu( $III$ ), tlenku manganu( $IV$ ) oraz tlenku srebra( $I$ ), o nazwie handlowej Hopkalit. Tlenek węgla( $II$ ) spala się niebieskim płomieniem, a podczas reakcji uwalnia się bardzo dużo ciepła. Jest to reakcja egzotermiczna.

Ciekawostka

Hopkalit to porowata mieszanina substancji, przypominająca wyglądem węgiel aktywny. Stosowany jest w produkcji masek przeciwgazowych i służy do utlenienia silnie trującego, bezbarwnego i bezwonnego gazu tlenku węgla( $II$ ) $CO$ (tzw. czadu) do nietoksycznego tlenku węgla( $IV$ ) ${CO}_{2}$ . Ponadto oczyszcza powietrze z innych zanieczyszczeń. Maski te stosowane są bardzo często przez strażaków oraz górników.

Wspomniana reakcja zachodzi również bez użycia katalizatora, ale wówczas wymaga wysokiej temperatury – około $700 ° C$ .

2 CO + O_{2} \overset{temperatura}{\to} 2 {CO}_{2}

bg‑red

Tlenek azotu( $IV$ )

Tlenek azotu( $IV$ ) otrzymywany jest przez utlenianie tlenku azotu( $II$ ), zgodnie z poniższym równaniem reakcji:

2 NO + O_{2} \to 2 {NO}_{2}

R15mb6LRgymWR1

Zdjęcie przedstawiające pięć szklanych ampułek, w których zatopiony jest układ N O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego N indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego w różnych temperaturach. Od lewej strony układ w temperaturze minus sto dziewięćdziesiąt sześć stopni Celsjusza jest białawy, dalej w temperaturze wynoszącej zero stopni Celsjusza jest ciemnożółty, w trzeciej ampułce w temperaturze równej dwadzieścia trzy stopnie Celsjusza układ ma barwę ciemnopomarańczową, w temperaturze wynoszącej trzydzieści pięć stopni Celsjusza ma kolor brunatny, zaś w ostatniej ampułce w temperaturze równej piećdziesiąt stopni Celsjusza jest brązowy. — Układ ${NO}_{2}$ / $N_{2} O_{4}$ w różnych temperaturach. Wraz ze zmniejszaniem się temperatury, tlenek azotu( $IV$ ) ulega dimeryzacji. Od lewej: $- 196 ° C$ , $0 ° C$ , $23 ° C$ , $35 ° C$ i $50 ° C$
Źródło: Eframgoldberg, dostępny w internecie: www.wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

Reakcja jest egzotermiczna i zachodzi na powietrzu bez specjalnych, dodatkowych warunków. Bezbarwny gaz, tlenek azotu( $II$ ) $NO$ , w zetknięciu z tlenem atmosferycznym, przechodzi bardzo szybko w brunatny gaz – tlenek azotu( $IV$ ) ${NO}_{2}$ . Reakcja ta stanowi jeden z procesów pośrednich w przemysłowej produkcji kwasu azotowego( $V$ ).

bg‑red

Tlenek żelaza( $III$ )

Tlenek żelaza $(III)$ powstaje często w wyniku utleniania tlenku żelaza $(II)$ tlenem atmosferycznym, zgodnie z poniższym równaniem reakcji:

4 FeO + O_{2} \to 2 {Fe}_{2} O_{3}

Jednak nie jest to reakcja, którą stosuje się powszechnie, aby otrzymać tlenek żelaza $(III)$ . Utlenianie zachodzi często w sposób niezamierzony, np. podczas wieloletniego przechowywania tlenku żelaza $(II)$ w laboratorium.

RNdueZpBy6DHM

Zdjęcie przedstawiające tlenek żelaza(dwa) w postaci czarnych niedużych drobin znajdujących się na szkiełku zegarkowym. — Tlenek żelaza( $II$ )
Źródło: dostępny w internecie: www.wikipedia.org, domena publiczna.

R1WvVIQQJIt0f

Zdjęcie przedstawiające tlenek żelaza(trzy) w postaci proszku o barwie ceglastoczerwonej lub brązowawej, z którego na białej powierzchni usypana jest niewielka górka. — Tlenek żelaza( $III$ )
Źródło: Benjah-bmm27, dostępny w internecie: www.wikipedia.org, domena publiczna.

Słownik

tlenki

związki chemiczne tlenu z innymi pierwiastkami, w których atom tlenu występuje na $- II$ stopniu utlenienia

utleniacz

atom, cząsteczka lub jon, który w reakcjach redoks przyjmuje elektrony (jest akceptorem elektronów)

reduktor

atom, cząsteczka lub jon, który w reakcjach redoks oddaje elektrony (jest donorem elektronów)

reakcja utlenienia‑redukcji (redox)

zachodzące łącznie procesy utlenienia i redukcji; utlenianie – oddawanie elektronów przez atom, cząsteczkę lub jon; redukcja – przyjmowanie elektronów przez atom, cząsteczkę lub jon

katalizator

substancja chemiczna, którą dodaje się do układu w celu zwiększenia szybkości reakcji chemicznej; katalizator bierze udział w reakcji, ale po jej zakończeniu pozostaje w ilości niezmienionej

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej 2, Warszawa 2013.

Pazdro K. M., Chemia. Podręcznik do kształcenia rozszerzonego w liceach, Część IV. Chemia nieorganiczna, Warszawa 2009.

Wprowadzenie

Wirtualne laboratorium – S

Otrzymywanie tlenków pierwiastków na wyższym stopniu utlenienia

Tlenek siarki( $VI$ )

Tlenek węgla( $IV$ )

Tlenek azotu( $IV$ )

Tlenek żelaza( $III$ )

Słownik

Bibliografia

Wprowadzenie

Wirtualne laboratorium – S

Przeczytaj

Otrzymywanie tlenków pierwiastków na wyższym stopniu utlenienia

Tlenek siarki(VI)

Tlenek węgla(IV)

Tlenek azotu(IV)

Tlenek żelaza(III)

Słownik

Bibliografia

Tlenek siarki( $VI$ )

Tlenek węgla( $IV$ )

Tlenek azotu( $IV$ )

Tlenek żelaza( $III$ )